مطالعه ای با حل یک معمای دیرینه نشان می دهد که چگونه گیاهان اولیه قادر به انتقال از محیط های آبی به خشکی از طریق تغییرات در سیستم های آوندی خود بودند.
به گزارش تکناک، برای سالهای متمادی، دانشمندان در تلاش بودهاند تا دریابند که چگونه گیاهان اولیه زمین توانستهاند خود را با زیستگاههای جدید وفق دهند و فراتر از محیطهای مرطوب و باتلاقی اصلی خود حرکت کنند.
این گیاهان کوچک بودند و معمولاً بیش از چند سانتی متر ارتفاع نداشتند و در نزدیکی نهرها و برکه ها یافت می شدند. با این حال، حدود 400 میلیون سال پیش، آنها سیستم های آوندی خود را توسعه دادند که به آنها اجازه می داد آب را به طور موثرتری از خاک استخراج کنند و از آن برای فتوسنتز استفاده کنند، تغییری که تأثیر قابل توجهی بر جو و اکوسیستم زمین داشت.
اکنون تیمی از محققان با کشف این که چگونه این گیاهان باستانی توانسته اند در زیستگاه های جدید با دسترسی محدود به آب رشد کنند، یک معمای 100 ساله در دیرینه شناسی را حل کرده اند.
مطالعهای که توسط تیمی از محققان دانشگاه ییل در Science منتشر شده است، نشان میدهد که یک تغییر کوچک در سیستم آوندی گیاهان، آنها را در برابر خشکی مقاومتر کرده و به آنها اجازه میدهد در محیطهای جدید و خشکتر رشد کنند.
این تیم توسط پروفسور کریگ برودرسن دانشکده محیط زیست دانشگاه ییل رهبری می شد و مارتین بودا و کایرا پرتس نویسندگان اصلی آن بود. این یافته ها راه های جدیدی را برای اکتشاف در این زمینه باز کرده است.
این تحقیق با یک بحث علمی قدیمی به قدمت یک قرن در مورد اینکه چرا سیستم آوندی ساده و استوانهای اولین گیاهان زمینی به سرعت به اشکال پیچیدهتری تغییر یافته اند آغاز به کار کرد. در دهه 1920، دانشمندان به این پیچیدگی فزاینده در رکوردهای فسیلی اشاره کردند، اما نتوانستند دلیل تغییرات تکاملی را، اگر هم وجود داشته باشد مشخص کنند.
در طول دهه گذشته، برودرسن و همکارانش پیامدهای چگونگی ساخت سیستمهای آوندی مدرن گیاهی، به ویژه در شرایط خشکسالی را بررسی کردهاند. هنگامی که گیاهان شروع به خشک شدن می کنند، حباب های هوا در آوند چوبی گیر می کنند. آوندها بافت تخصصی هستند که آب و مواد مغذی را از خاک به ساقه ها و برگ ها منتقل می کند. حباب ها حرکت آب را مسدود می کنند. در صورت عدم کنترل، آنها در سراسر شبکه پخش می شوند، و ارتباط گیاهان را از خاک می گیرند و در نهایت منجر به مرگ گیاه می شوند. امروزه اجتناب از تشکیل و گسترش این حبابها برای تحمل خشکسالی اهمیت حیاتی دارد و تیم تحقیقاتی همین تفکر را برای توضیح الگوهای سازماندهی آوندی در یافته های فسیلی به کار برد.
سیستمهای آوندی استوانهای شکل در اولین گیاهان خشکی، که شبیه به دستهای از نی بودند که در ابتدا در زیستگاههای آبی اولیهشان به خوبی به آنها خدمت کرده بودند.اما هنگامی که آنها به زمینی با منابع آبی کمتر حرکت کردند، گیاهان مجبور شدند بر حباب های هوای ناشی از خشکسالی غلبه کنند. گیاهان اولیه زمین این کار را با تغییر شکل آوند چوبی اجدادی و استوانهای شکل به شکلهای پیچیدهتر انجام دادند که از پخش شدن حبابهای هوا جلوگیری میکرد.
از نظر تاریخی، مشاهدات مربوط به افزایش پیچیدگی آوندی در پیشینه فسیلی، تصادفی و دارای اهمیت کمی بود و محصول جانبی این فرایند رشد گیاهان در اندازه بزرگتر و توسعه معماری پیچیده تر، تصور می شد. با این حال، مطالعه جدید این دیدگاه را معکوس می کند.
بودا میگوید: این تغییر به این شکل اتفاق نیفتاد و در واقع یک دلیل تکاملی خوب وجود دارد. فشار شدید خشکسالی باعث شد که این اتفاق بیفتد. این معمای صد ساله ای بود که اکنون به آن پاسخ داده ایم.
بودا خاطرنشان میکند که ترکیب تیمی از محققانی که در این مطالعه مشارکت داشتند، شامل یک گیاهشناس دیرینه، فیزیولوژیستهای گیاهی و یک هیدرولوژیست، به ارائه تکنیکها و دیدگاههایی کمک کرد که آنها را به کشف دلیل ساختار آوندی پیچیدهای که در گیاهان دوران دوونین برساند.
این تیم از میکروسکوپ و تجزیه و تحلیل آناتومیک برای مشاهده عملکرد داخلی نمونههای گیاهی استفاده کرد که شامل نمونههای فسیلی از موزه ییل پیبادی و گیاهان زنده از جنگل ییل مایرز، باغ گیاهشناسی مارش، باغ گیاهشناسی نیویورک و دانشگاه کانکتیکات بود. با استفاده از این اطلاعات، تیم سپس پیکربندیهای آوندی را پیشبینی کرد که میتوانند خشکسالی را تحمل کنند و نشان دادند که چگونه تغییراتی که در شکل به ظاهر ساده هستند منجر به بهبودهای عمیق در تحمل به خشکی میشود.
هر بار که گیاهی از سیستم آوندی استوانهای منحرف میشود و هر بار که فقط کمی تغییر میکند، گیاه از نظر توانایی خود برای زنده ماندن در خشکسالی پاداشی دریافت میکند. اگر این پاداش دائما وجود داشته باشد، گیاهان را در جهتی دور از سیستم آوندی استوانهای باستانی به سمت این اشکال پیچیدهتر وادار میکند. با ایجاد این تغییرات بسیار کوچک، گیاهان این مشکل را که باید در اوایل تاریخ زمین کشف میکردند، حل کردند، در غیر این صورت جنگلهایی که امروز میبینیم وجود نداشتند.
برودرسن می گوید: این تغییرات به سرعت در بازههای زمانی دیرینهشناسی در حدود 20 تا 40 میلیون سال اتفاق افتاد. نیروهای محرکه تغییر در ساختار آوندی گیاه می تواند به تحقیقات در زمینه پرورش گیاهان مقاوم به خشکی، ایجاد انعطاف پذیری در برابر اثرات تغییرات آب و هوایی و رسیدگی به مسائل مربوط به ناامنی غذایی و افزایش تولید کمک کند.
برودرسن اضافه می کند: اکنون که ما درک بهتری از نحوه قرارگیری سیستمهای آوندی در کنار هم داریم و اینکه چگونه بر توانایی گیاه برای تحمل خشکی تأثیر میگذارد، این چیزی است که میتواند به عنوان هدف برای برنامههای اصلاحی مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، ساختن سیستمهای ریشهای و آوندی بهتر در گیاهان.
